电厂、变电站同步系统

一、概述

1 ．建立时间同步系统的重要性

随着电厂、变电站自动化水平的提高，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、广域相量测量系统、继电保护及故障信息管理系统、事件顺序记录装置、变电站自动化系统、发电厂监控系统、微机继电保护装置、故障录波装置、安全自动装置、雷电定位系统、电网预决策分析系统、合并单元等。其运行实行分层控制，设备的运行往往要靠数百公里外的调度员指挥；电网运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要有统一的时间基准。有了统一的时间，既可实现全厂（站）各系统在 GPS （北斗）时间基准下的运行监控，也可以通过事故后各开关动作、调整的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。统一的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。因此，在电网内的电厂、变电站及调度中心等建立的时间同步系统是十分必要和迫切的。

2 ．建立时间同步系统的*性

电厂 / 变电站的时间同步是一件十分重要的基础工作，现在电厂 / 变电站大多采用不同厂家的计算机监控系统、 DCS 分布式控制系统、 发电厂电气监控管理系统 (ECS) 、微机保护、故障录波装置、合并单元、电能量计费系统、电液调速系统 DEH 、 SCADA 系统及各种输煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脱硫 PLC 等，以前的时间同步大多是各设备提供商采用各自独立的 GPS 时钟，而各时钟因产品质量有很大差异（ GPS 模块质量差、内置精度不高的晶振时钟作为基准时间源），在对时精度上都有一定的偏差。同时 , 受雷电天气等影响 , 质量差的 GPS 接收机授时性能的劣化降质难以发现 , 不少电厂 / 变电站 GPS 天线因安装不合规范，如没配置天线避雷器、馈线没有加铠装外套 ( 易出现被老鼠咬断的可能 ) ，极易造成天线损坏 , 这些都造成了全厂（站）各系统不能在统一的时间基准基础上进行数据分析和比较，给事故后正确的故障分析判断带来很大困难。

现在，人们已经充分意识到时间统一的重要性。但是，统一时间并不是单纯地并用 GPS 时钟设备。目前，许多电厂 / 变电站普遍采用一台或多台简单配置的 GPS 时钟装置作为基准时间源，装置提供的接口数量有限。而各个电厂 / 变电站往往有不同的装置需要接收时间同步信号，其接口类型繁多，如 RS232/422/485 串行口、脉冲、 IRIG-B 码、 DCF77 信号、 NTP 网络时间等接口形式，而且装置的数量也不等，所以在实际应用中常感到 GPS 装置的某些类型接口数量不够或缺少某些类型接口，其结果就是电厂 / 变电站中有些装置不能实现时间同步，或者需要再增加一台甚至数台 GPS 装置，而这往往受到资金不足或没有安装位置等限制。若全厂（站）采用时间同步系统方案，就可实现全厂（站）各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析，大大提高了电厂 / 变电站的安全稳定性。因此，采用 GPS 时间同步系统比采用传统的分散的 GPS 时钟设备有着明显的优势，也是技术发展的必然趋势。

3 ．建立电厂 / 变电站时间同步系统的必要性

建设全网统一的时间同步网 , 固然是解决全电网时间同步问题的好方法。但就能否补偿时间信号传输时延、如何利用通道资源、如何建设高可靠性高时间精度的时间同步网及其投资代价等方面的综合性问题 , 目前仍处于 探讨阶段。

结合我国电网现状 , 首先建设好电网每个基本单元的电厂 / 变电站内时间同步系统 , 即时间同步子系统是迫切需要解决的 , 这不但对提高电力系统稳定运行极其重要 , 而且也为将来建设全网的时间同步网打下良好的基础。

4 ．系统简介

我公司根据用户的实际需求，结合我们以往的工程经验，研制开发了 电厂 / 变电站时间同步系统。该系统实现了时间基准多源头（ GPS 、北斗、恒温晶振、原子钟、 IRIG-B 时间基准）、输出多制式（串口、脉冲、 IRIG-B 码、 DCF77 、 NTP 网络授时等）、满足多设备（系统信号输出可以任意扩展，可满足任何规模任何方式的时间信号需求）的要求，保证了时间同步信号的高度、高稳定性、高安全性，高可靠性，将电力系统的时间同步度、稳定性、安全性和可靠性提高到一个更新更高的台阶。该系统将 GPS/ 北斗卫星传送的协调世界时（ UTC ）或外部传送的时间基准信号作为定时信号源，产生用来传递时间信息的 IRIG-B 时间码、串行时间报文、脉冲信号、 DCF77 信号和 NTP 协议时间，用于实现 全厂（站）计算机监控系统、保护装置、故障录波器 、事件顺序记录装置、安全自动装置、合并单元、远动 RTU 及各级能量管理系统、调度自动化系统、配电网自动化系统、用电负荷管理系统、电能量记费系统、电网频率按秒考核系统、同步相量测量装置（ PMU ）、线路故障行波测距装置、雷电定位装置、调度录音、各类信息管理系统 MIS 、 发电厂电气监控管理系统(ECS) 、 DCS 系统、输煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脱硫 PLC 等的时间同步 ，使电厂 / 变电站内各设备具有统一的时间基准。系统外形如下图所示：

图 时间同步系统时钟屏

5 ．建立时间同步系统的意义

1 ） 时间同步系统保证了电厂 / 变电站内各个装置具有统一的时间基准。

2 ） 时间同步系统采用了冗余化配置，保证了时间同步系统的可靠性。

3 ） 时间同步系统单独组屏，为电厂 / 变电站将来改造时对时信号的扩展提供了方便。

4 ） 建立时间同步系统，便于维护、管理。

二、电厂 / 变电站时间同步系统方案

1 ．系统组屏

1 ） 系统独立组屏。

2 ） 屏柜内安装接线端子排，时钟装置的输出信号通过接线端子排与外部信号电缆连接。

3 ） 时钟装置的输出到接线端子排的连接导线采用 0.5mm 2 ～ 1mm 2 的多股软线。

2 ．系统配置

1 ） 一个发电厂或一个变电站，配置一套时间同步系统，一套时间同步系统可由一面或多面时钟装置屏组成。

2 ） 变电站，按每幢建筑（保护小室或控制室）配置一面时钟装置屏。

3 ） 发电厂，按每台发电机组配置一面时钟装置屏，升压站系统按变电站原则配置，另外针对输煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脱硫 PLC 等需要对时信号特别少的小室可选择从主时钟屏通过光纤直接接收对时信号的方式。

4 ） 一套时间同步系统可配置一台主时钟或两台主时钟（冗余方式）。大型发电厂及 500kV 变电站应采用两台主时钟，两台主时钟以冗余热备模式工作，提高了系统的可靠性。

3 ．时间同步系统的性能

1 ） 主时钟 ( 一级时钟 ) 接收 GPS/ 北斗卫星信号或接收外部 IRIG-B （ DC ）时间基准信号，并向信号扩展箱 ( 从时钟、二级时钟 ) 提供 IRIG-B （ DC ）时间基准信号。

2 ） 时间同步系统各时钟屏内根据需要可配置一台或多台信号扩展箱，信号扩展箱提供多路 脉冲信号（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信号（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信号（有源、无源）、时间报文（RS232、RS422/485、光）、NTP网络时间信号，可以满足 电厂 / 变电站内 不同设备的对时接口要求。 信号扩展箱的数量及输出信号接口类型根据各小室内对时设备的情况而定。

3 ） 主时钟的时间信号接收单元能接收 GPS/ 北斗卫星发送的协调世界时（ UTC ）信号作为外部时间基准信号。正常情况下，主时钟的时间信号接收单元独立接收 GPS/ 北斗卫星发送的时间基准信号。当某一主时钟的时间信号接收单元发生故障时，该主时钟能自动切换到另一台主时钟的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，实现时间基准信号互为备用。当主时钟的时间信号接收单元恢复正常后，该主时钟自动切换回正常工作状态，切换时间小于 0.5 秒，切换时主时钟输出的时间同步信号不会出错。

4 ） 主时钟可输出一路特殊的供主时钟间互联的 IRIG-B （ DC ）码信号，该信号作为互联主时钟的“后备”外部时间基准，当主时钟的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当主时钟互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。

5 ） 信号扩展箱的时间基准信号输入包括两路 IRIG-B （ DC ）输入。当装置只接一路 IRIG-B （ DC ）输入时，该路输入可以是“ B 码输入 1 ” ，也可以是“ B 码输入 2 ” 。装置接入两路 IRIG-B （ DC ）输入时，以“ B 码输入 1 ” 作为该装置的“主”外部时间基准，“ B 码输入 2 ” 作为“后备”外部时间基准，当“ B 码输入 1 ” 异常时，装置自动切换到“ B 码输入 2 ” 接收“后备”外部时间基准信号，当“ B 码输入 1 ” 恢复正常时，装置自动切换回正常工作状态， 切换时间小于 0.5 秒，切换时装置输出的时间同步信号不会出错。

6 ） 时钟装置具有内部守时功能。当接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时， 切换到内部守时， 使主时钟或信号扩展箱输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作，切换时间小于 0.5 秒，切换时时钟输出的时间同步信号不会出错。

7 ） 时钟装置 的外部时间基准（ B 码输入）具有时延补偿功能， 能够补偿外部时间基准信号（ IRIG-B ）的传输延时，从而保证了时间基准信号的精度。

8 ） 时钟装置的 所有输出信号均经隔离输出，抗*力强，且 各路输出在电气上均相互隔离。

9 ） 时钟装置的某一路输出信号允许短路 5 分钟以上，不会造成对该输出回路的*性损坏。

10 ） 时钟装置的某一路输出信号短路，不会影响其它输出信号。

11 ） 时钟装置具 有自复位能力，在因干扰造成装置 CPU 瞬间故障时，能自动恢复正常工作。

12 ） 时钟 装置采用 全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活， 维护方便。

13 ） 时钟装置具有工作状态指示、告警显示和告警信号输出功能。告警信号的电接口类型为继电器空接点，接点耐压 >250V DC 。

14 ） 时钟装置具有时间显示功能，可显示年、月、日、时、分、秒。

15 ） 每台 时钟装置 都提供一路TTL脉冲信号（可编程输出1PPS、1PPM、1PPH、事件），供时钟的准确度指标测试。

16 ） 时间同步系统可采用 双电源冗余供电 ，任何一路电源消失，系统仍能保持正常工作。 有两种实现方式：a)时钟屏采用时间继电器和接触开关组成电源切换电路。b)时钟装置采用双电源冗余供电，电源供电自适应。

4 ．时间同步系统的组成

时间同步系统通常由主时钟、若干从时钟、时间信号传输介质组成。根据时间同步系统的配置方式，时间同步系统的结构有多种形式，主要分为三种： 基本式、主从式、主备式。

1 ）基本式

由一台主时钟和信号传输介质组成，为被授时设备（系统）对时。根据需要和技术要求，主时钟可设接收上一级时间同步系统下发的有*基准信号的接口。该系统由一面主时钟屏组成，主时钟屏一般设在电厂 / 变电站的控制室。

2 ）主从式

由一台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，为被授时设备（系统）对时。根据实际需要和技术要求，主时钟可设接收上一级时间同步系统下发的有*基准信号的接口。该系统由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，主时钟屏一般设在电厂 / 变电站的控制室。时钟扩展屏数量根据电厂 / 变电站内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

3 ）主备式

由两台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，为被授时设备（系统）对时。根据实际需要和技术要求，主时钟可预留接口，用来接收上一级时间同步系统下发的有*基准信号。该方式可分为 两台主时钟同屏系统结构和两台主时钟不同屏系统结构。

两台主时钟同屏系统结构

该系统由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，主时钟屏有两台主时钟，时钟扩展屏数量根据电厂 / 变电站内小室的情况而定。主时钟屏一般设在电厂 / 变电站的控制室。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

两台主时钟不同屏系统结构

该系统结构由两面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，每面主时钟屏内各有一台主时钟。时钟扩展屏数量根据电厂 / 变电站内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。